В зависимости от назначения и частотной области применения световодов [25, 26] для их изготовления используют различные материалы: силикатные и органические стекла или пластмассовые волокна.
Оптические стекла обладают высокими оптическими и механическими свойствами и применяются для изготовления световодных волокон, предназначенных для передачи энергии в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Кварцевое стекло и увиолевые стекла используются в ультрафиолетовой области спектра. Из специальных кислородных стекол выполняются сердечники световодов; оболочки изготовляются из силикатного, натриево-кальциевого, алюмино-кальциевого, германиевого стекла и используются в инфракрасной области спектра (до 5 мкм). В области 1-8 мкм могут применяться стекла системы As—S, а в длинноволновой области спектра (до 14 мкм) — стекла системы As—Se—Те.
Японскими специалистами в 1968 г. было получено градиентное стекловолокно «селфок» (от сочетания английских слов «self» и «focus»), в котором показатель преломления изменяется вдоль радиуса поперечного сечения по параболическому закону. Распространяющийся по селфоку луч самофокусируется, в нем может быть достигнуто очень малое значение дисперсионного размытия сигнала (0,3 нс/км).
Волокна из полистирола, найлона, полиметилметакрилата и других пластмасс применяются в менее ответственных случаях как более дешевые и технологичные.
Основные требования, предъявляемые к материалам световодов, следующие: 1) малые значения коэффициента поглощения, отсутствие микродефектов, высокая числовая апертура волокон; 2) хорошая технологичность, обеспечивающая высокую степень однородности волокон.
Так как чаще всего волокно, состоит из сердечнику и оболочки (двухслойные, иногда трехслойные), необходимо подбирать для него стекла химически совместимые, которые не должны взаимодействовать между собой в процессе изготовления и эксплуатации, с близкими значениями вязкости в широком интервале температур, с соответствующими значениями коэффициентов термического расширения (меньшего для материала оболочки по сравнению с материалом сердечника), с высокой температурой размягчения.
Существует ряд способов изготовления световодных волокон из стекла [4, 5, 40].
- Метод осаждения, который состоит в том, что из паровой фазовой смеси (S1C14) получают чистый кварц — окись кремния (SiO2) при температуре 1200—1600° С. Смесь S1C14 с добавкой В2O3 (или других элементов) пропускают через нагретую кварцевую трубку, в результате чего вначале оседает слой кварца, легированный бором, а затем чистый кварц. Получив слои заданной толщины, нагревание трубки увеличивают и обжимают ее до «схлопывания» с последующей вытяжкой волокна требуемого диаметра (рис. 7.17а).
Рис. 7.17. Схемы изготовления двухслойных волокон:
а) методом осаждения кварца из паровой фазы; б) методом двойного тигля
Таким образом может быть получено трехслойное волокно, в котором внутренняя проводящая жила состоит из чистого кварца; отражающая оболочка с меньшим показателем преломления — из кварца, легированного бором; и, наконец, оболочка — из кварца.
Недостатками этого метода являются ограниченные длины и ограниченные сочетания исходных материалов.
- Вытягивание расплавленного стекла из двойных фильер — метод двойного тигля. Стекло сердечника поступает во внутреннюю фильеру, стекло оболочки — в наружную (рис. 7.17б). Для очистки расплавленного стекла от воздуха процесс вытягивания ведут при повышенных температурах и сравнительно малой вязкости.
Методом двойного тигля может быть изготовлено и волокно «селфок». Требуемый закон изменения коэффициента преломления может быть достигнут либо диффузионным перераспределением легирующих примесей при высокотемпературной вытяжке, либо путем длительной выдержки однородного стеклянного стержня в горячем соляном растворе с последующей вытяжкой. Между чистым однородным стеклом и соляным раствором происходит ионный обмен, в результате которого показатель преломления на поверхностном слое стержня уменьшается. Преимущества метода двойного тигля заключаются в непрерывности процесса изготовления, возможности получения больших длин и использования большого многообразия исходных материалов.
- Пруток из стекла сердечника вставляют в трубку из стекла оболочки, и этот составной пруток помещают в высокотемпературную зону печи, а затем вытягивают до заданного размера.
Этот способ позволяет получить высококачественный оптический контакт между сердечником и оболочкой, а также волокна большой длины диаметром от нескольких миллиметров до нескольких микрон (в зависимости от диаметра составного прутка, температуры, скорости вытягивания и подачи составного прутка).
Отдельные волокна, плотно уложенные параллельно друг другу в специальные шаблоны и заключенные в защитную оболочку [5], образуют жгуты. Для создания поглощающей оболочки перед вытяжкой многожильного волокна трубку опускают в раствор светозащитного керамического материала, из которого получают поглощающее покрытие.
Пластмассовые волокна изготавливают путем прессования с вытяжкой. Например, изготавливают жгуты из полиметилкрилата с оболочкой из прозрачной пластмассы с более низким показателем преломления или с поглощающей оболочкой из пигментированного полиэтилена.
